第一节太阳辐射
第二章 大气的热能和温度 第一节 太阳辐射
地球大气中的一切物理过程都伴随着能 量的转换,而辐射能,尤其是太阳辐射能是 地球大气最重要的能量来源。一年中整个地 球可以由太阳获得544×1024J的辐射能量 地球和大气的其它能量来源同来自太阳的辐 射能相比是极其微小的。比如来自宇宙中其 它星体的辐射能仅是来自太阳辐射能的亿分 之一。从地球内部传递到地面上的能量也仅 是来自太阳辐射能的万分之一
第一节 太阳辐射 地球大气中的一切物理过程都伴随着能 量的转换，而辐射能，尤其是太阳辐射能是 地球大气最重要的能量来源。一年中整个地 球可以由太阳获得5.44×1024J的辐射能量。 地球和大气的其它能量来源同来自太阳的辐 射能相比是极其微小的。比如来自宇宙中其 它星体的辐射能仅是来自太阳辐射能的亿分 之一。从地球内部传递到地面上的能量也仅 是来自太阳辐射能的万分之一
(一)辐射与辐射能 自然界中的一切物体都以电磁波的方式向 四周放射能量,这种传播能量的方式称为辐射。 通过辐射传播的能量称为辐射能,也简称为辐 射。辐射是能量传播方式之一,也是太阳能传 输到地球的唯一途径。 辐射能是通过电磁波的方式传输的。电磁 波的波长范围很广,从波长10-10μm的宇宙射 线,到波长达几千米的无线电波。肉眼看得见 的是从04—0.76m的波长,这部分称为可见
一、辐射的基本知识 （一）辐射与辐射能 自然界中的一切物体都以电磁波的方式向 四周放射能量，这种传播能量的方式称为辐射。 通过辐射传播的能量称为辐射能，也简称为辐 射。辐射是能量传播方式之一，也是太阳能传 输到地球的唯一途径。 辐射能是通过电磁波的方式传输的。电磁 波的波长范围很广，从波长10-10μm的宇宙射 线，到波长达几千米的无线电波。肉眼看得见 的是从0.4—0.76μm的波长，这部分称为可见
光。可见光经三棱镜分光后,成为一条由 红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色组成 的光带,其中红光波长最长,紫光波长最短。 其它各色光的波长则依次介于其间。波长长于 红色光波的,有红外线和无线电波;波长短于 紫色光波的,有紫外线、X射线、Y射线等,这 些射线虽然不能为肉眼看见,但是用仪器可以 测量出来(图21)。气象学着重研究的是太阳 地球和大气的热辐射。它们的波长范围大约在 015-120μm之间。在气象学中,通常以焦耳 J)作为辐射能的单位。单位时间内通过单 位面积的辐射能量称辐射通量密度(E),单 位是Wm2
光。可见光经三棱镜分光后，成为一条由 红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种颜色组成 的光带，其中红光波长最长，紫光波长最短。 其它各色光的波长则依次介于其间。波长长于 红色光波的，有红外线和无线电波；波长短于 紫色光波的，有紫外线、X射线、γ射线等，这 些射线虽然不能为肉眼看见，但是用仪器可以 测量出来（图2·1）。气象学着重研究的是太阳、 地球和大气的热辐射。它们的波长范围大约在 0.15—120μm之间。在气象学中，通常以焦耳 （J）作为辐射能的单位。单位时间内通过单 位面积的辐射能量称辐射通量密度（E），单 位是W/m²
辐射通量密度没有限定辐射方向,辐射接 受面可以垂直于射线或与之成某一角度。如果 指的是投射来的辐射,则称入射辐射通量密度; 如果指的是自物体表面射出的辐射,则称放射 辐射通量密度。其数值的大小反映物体放射能 力的强弱,故称之为辐射能力或放射能力 地面和大气, 太阳短的长波辐射 —X射线一 波辐射 无线电波 ￥射 紫外线 红外线 0-610-5 10-410-310-21077形 波长队m 10 0.40.76 图2·1各种辐射的波长范围 单位时间内,通过垂直于选定方向上的单位
辐射通量密度没有限定辐射方向，辐射接 受面可以垂直于射线或与之成某一角度。如果 指的是投射来的辐射，则称入射辐射通量密度； 如果指的是自物体表面射出的辐射，则称放射 辐射通量密度。其数值的大小反映物体放射能 力的强弱，故称之为辐射能力或放射能力。 单位时间内，通过垂直于选定方向上的单位
面积(对球面坐标系,即单位立体角)的辐射 能,称为辐射强度()。其单位是W/m2或 Wsr。 辐射强度与辐射通量密度有密切关系,在 平行光辐射的特殊情况下,辐射强度与辐射通 量密度的关系为 I=/cose (21) 式中为辐射体表面的法线方向与选定方向间 的夹角 (二)辐射光谱 为准确描述辐射能的性质,需要引入一个能
面积（对球面坐标系，即单位立体角）的辐射 能，称为辐射强度（I）。其单位是W/m²或 W/sr。 辐射强度与辐射通量密度有密切关系，在 平行光辐射的特殊情况下，辐射强度与辐射通 量密度的关系为 I = E/cosθ （2·1） 式中θ为辐射体表面的法线方向与选定方向间 的夹角。 （二）辐射光谱 为准确描述辐射能的性质，需要引入一个能
确定辐射能按波长分布的函数,以便进一步确 定物体的辐射特性。 设一物体的辐射出射度为F(Wm2),在 波长A至A+dN间的辐射能为dF,则 F=Fd或F= (2·2) 式中F入是单位波长间隔内的辐射出射度, F入是波长的函数,称为分光辐射出射度,或单 色辐射通量密度。因Fλ是随波长而变的函数, 所以又称为辐射能随波长的分布函数。它不仅 取决于物体的性质,而且还取决于物体所处的 状态。FA随波长A的变化可以用图形来
确定辐射能按波长分布的函数，以便进一步确 定物体的辐射特性。 设一物体的辐射出射度为 F（W/m2），在 波长λ至λ+dλ间的辐射能为dF，则 式中Fλ是单位波长间隔内的辐射出射度， Fλ是波长的函数，称为分光辐射出射度，或单 色辐射通量密度。因Fλ是随波长而变的函数， 所以又称为辐射能随波长的分布函数。它不仅 取决于物体的性质，而且还取决于物体所处的 状态。 Fλ随波长λ的变化可以用图形来
表示,如图22所示。图中FA随入的变化曲线称 为辐射光谱曲线。 Fa dF 入 d久 2 图2·2辐射光谱曲经与积分辐射出射密度
表示，如图2·2所示。图中Fλ随λ的变化曲线称 为辐射光谱曲线
因此波长入2间的辐射Fx,可由积分得到 2 ,=真,”E (2·3) F2a,在图上相当于入1到λ2间光谐曲线下的面积。若对所有波长积分, 就得到总辐射能 F=[F2d入 (2·4) 全波长总的辐射能力在图中为光谱曲线与横坐 标所包围的面积。 (三)物体对辐射的吸收、反射和透射 不论何种物体,在它向外放出辐射的同时, 必然会接受到周围物体向它投射过来的辐射
全波长总的辐射能力在图中为光谱曲线与横坐 标所包围的面积。 （三）物体对辐射的吸收、反射和透射 不论何种物体，在它向外放出辐射的同时， 必然会接受到周围物体向它投射过来的辐射
但投射到物体上的辐射并不能全部被吸收,其 中一部分被反射,一部分可能透过物体(图 2·3)。 设投射到物体上的总辐射能为Qo,被吸收 的为Qa,被反射的为Qr,透过的为Qd。根据能 量守恒原理 Qa+Qr+Qd=Qo 将上式等号两边除以Qo,得
但投射到物体上的辐射并不能全部被吸收，其 中一部分被反射，一部分可能透过物体（图 2·3）。 设投射到物体上的总辐射能为Qo，被吸收 的为Qa，被反射的为Qr，透过的为Qd。根据能 量守恒原理 Qa+Qr+Qd=Qo 将上式等号两边除以Qo，得